Análise Experimental e Modelagem de Motor de Combustão Interna Operando Com Etanol Superhidratado

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DE PROCESSOS

ANLISE EXPERIMENTAL E MODELAGEM DE MOTOR DE COMBUSTO INTERNA OPERANDO COM ETANOL SUPER-

HIDRATADO

DISSERTAO DE MESTRADO

Weslei Monteiro Ambrs

Santa Maria, RS, Brasil

2012

2

ANLISE EXPERIMENTAL E MODELAGEM DE MOTOR DE

COMBUSTO INTERNA OPERANDO COM ETANOL SUPER-

HIDRATADO

por

Weslei Monteiro Ambrs

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Processos, rea de Concentrao

em Controle ambiental e otimizao energtica, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obteno do

grau de Mestre em Engenharia de Processos.

Orientadores:

Prof. Damaris Kirsch Pinheiro, Dr. Eng

Prof. Nina Paula Gonalves Salau, Dr. Eng

Santa Maria, RS, Brasil

2012

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Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia

Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Processos

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertao de Mestrado


HIDRATADO

elaborada por Weslei Monteiro Ambrs

como requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Engenharia de Processos

COMISSO EXAMINADORA:

Damaris Kirsch Pinheiro, Dr. (Presidente/Orientadora)

Nina Paula Gonalves Salau, Dr. (Orientadora)

Paulo Romeu Moreira Machado, Dr. (UFSM)

Ademar Michels, Dr. (FAHOR)

Santa Maria, 28 de maro de 2013.

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AGRADECIMENTOS

A Universidade Federal de Santa Maria, por sempre proporcionar um

ambiente acolhedor e de conhecimentos, os quais sero levados ao longo de toda

vida profissional.

A Prof Dr. Damaris Kirsch Pinheiro, pela orientao e confiana depositada

nas atividades realizadas e pelo especial subsdio no que se refere rea de anlise

e monitoramento de gases.

A Prof Dr. Nina Paula Gonalves Salau, que abraou as dificuldades de

seus orientados, e pelo valoroso empenho nas atividades de modelagem, simulao

e anlise de dados.

Ao Prof Dr. Mario Eduardo Santos Martins pela disponibilizao do motor de

testes para coleta de dados, indispensvel realizao deste trabalho.

Ao Prof Dr. Ronaldo Hoffmann pela disponibilizao do analisador de gases,

essencial para a coleta de dados de emisses.

Ao Eng Mecnico Thompson Diordinis Metzka Lanzanova e ao acadmico do

curso de Engenharia Mecnica Rafael Lago Sari pelo auxlio na coleta e disposio

de dados e pelo aporte tcnico na rea de aquisio de dados em motores.

Aos colegas Jean Lucca Fagundez, Augusto Cesar da Costa e Mrcia Bert

pelo auxlio nos trabalhos desenvolvidos ao longo do curso de mestrado.

A Capes, pela concesso da bolsa de estudos.

A todos aqueles que de forma direta ou indireta auxiliaram na realizao

deste trabalho.

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RESUMO

Dissertao de Mestrado

Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Processos Universidade Federal de Santa Maria


HIDRATADO AUTOR: WESLEI MONTEIRO AMBRS

ORIENTADOR: DAMARIS KIRSCH PINHEIRO Santa Maria, 28 de maro de 2013.

O uso de etanol como combustvel tem fomentado muitos pases a aperfeioarem seus processos de produo. Contudo, os custos relacionados ao seu atual modelo de produo tm sido ocasionalmente apontados como uma desvantagem a utilizao deste biocombustvel. Entre estes custos destaca-se o gasto energtico necessrio para destilao eficiente do mosto fermentado, cujo produto final o chamado etanol hidratado (cerca de 95% em volume de etanol em gua). Uma alternativa promissora para a reduo deste custo o uso de etanol combustvel com altas fraes de gua (acima de 5% em volume), o chamado etanol super-hidratado. Com isto em vista, neste estudo proposta a elaborao de um modelo matemtico que, em conjunto com dados experimentais, seja capaz de prever o efeito que o uso de etanol super-hidratado tem no desempenho de motores de combusto interna. Para tanto, em conjunto com o etanol hidratado comercial foram preparadas misturas de etanol com as seguintes fraes volumtricas de gua: 10% (E90W10), 20% (E80W20), 30% (E70W30) e 40% (E60W40). Os ensaios foram realizados considerando-se duas condies operacionais do motor: a) ponto de ignio fixo b) o ponto de ignio avanado para obteno do torque mximo do motor. O modelo foi capaz de simular de forma satisfatria os gradientes de presso e temperatura no cilindro e apresentou uma boa capacidade de previso do desempenho do motor, avaliado a partir das variaes de potncia, torque, eficincia de converso e consumo especfico de combustvel. Exceto para o consumo especfico de combustvel, onde o erro estimado para as variaes foi maior que 20%, a estimativa para as variaes nos demais parmetros de desempenho apresentou erros relativos menores que 7%. Para as variaes das condies de ensaio o erro relativo foi menor que 13%. Tambm foi observado que o consumo especfico de combustvel aumentou gradualmente com o aumento do teor de gua. Dentre os combustveis testados, o E70W30 exibiu o melhor desempenho, seguida pela mistura E80W20, sendo que ambos apresentaram rendimentos maiores do que o etanol comercial.

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ABSTRACT

Master Thesis

Graduate Program in Process Engineering University of Santa Maria

EXPERIMENTAL ANALYSIS AND MODELING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE FUELLED BY WET ETHANOL FUEL

AUTHOR: WESLEI MONTEIRO AMBRS ADVISOR: DAMARIS KIRSCH PINHEIRO

Santa Maria, March 28, 2013.

The use of ethanol as fuel has encouraged many countries to improve their production for this purpose. However, costs relating to their current production model have been occasionally mentioned as a drawback to its use. Among these stands out costs the energy expenditure necessary for distillation of the wort, which creates a final product with approximate composition of 95% by volume of ethanol in water. An alternative to disposal cost of this would be the use of ethanol with high water content (above 5% by volume). With this in mind, this study aims to develop a mathematical model that, together with experimental data, assess the effect that the use of alcohol fuel blends super hydrated has on the performance of spark ignition engines. For this, together with the commercial hydrous ethanol, blends were prepared with volume fractions of 90% (E90W10), 80% (E80W20), 70% (E70W30) and 60% (E60W40) ethanol in water and tests conducted in which maintained the ignition point and the fixed point which is advanced to obtain the maximum brake torque (MBT). The model has presented a good agreement wich pressure gradients and temperature in the cylinder and predicted changes in power, torque, efficiency and specific consumption of ethanol with relative errors less than 7%. For the variations in the test conditions the relative error was less than 13%. However, improvements must be made to calculate the mass of water in the mixture. The specific consumption of the mixture gradually increased with water content on the blend. Among fuels tested, E70W30 exhibited the best performance, followed by E80W20, both of which had higher yields than the commercial ethanol.

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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 - Produo e consumo mundial de petrleo no perodo 2001-2011 ......... 25

Figura 2 - Ponto de ignio em graus antes do PMS (degrees before top dead

center, BTDC) e eficincia trmica etanol hidratado em comparao com a gasolina

tipo C.. .................................................................................................................... 30

Figura 3 - Emisses do etanol hidratado em comparao com a gasolina tipo C. . 30

Figura 4 - Vendas de etanol1 e gasolina automotiva2 no Brasil - 2001-2010. ......... 31

Figura 5 - Razo entre a energia necessria para destilao do etanol e o poder

calorfico inferior do produto (Lower Heating Value). ............................................. 32

Figura 6 - Comparao do custo energtico do etanol anidro e do etanol super

hidratado com composio de 35% em volume. .................................................... 34

Figura 7 - ngulos de ligao entre molculas de etanol e gua ........................... 35

Figura 8 - Efeito da frao de gua no poder calorfico do etanol. ......................... 36

Figura 9 - Elementos bsicos de um motor de combusto interna ciclo Otto e ciclo

Diesel.. ................................................................................................................... 38

Figura 10 - Geometria bsica de um motor de combusto interna recproco. ........ 39

Figura 11 - Ciclo de operaes de quatro tempos. ................................................. 39

Figura 12 - Sequncia de eventos no ciclo de operaes de um motor SI. ........... 41

Figura 13 - Temperatura de chama adiabtica em funo da razo de equivalncia

para diferentes misturas de etanol super-hidratado. .............................................. 45

Figura 14 - Parmetros de desempenho para diferentes misturas de etanol super-

hidratado ................................................................................................................ 46

Figura 15 Taxa de liberao de calor para misturas de etanol super-hidratado. . 47

Figura 16 - Consumo especfico de combustvel (bsfc) e eficincia trmica global

para misturas de etanol super-hidratado. ............................................................... 48

Figura 17 - Temperatura mdia dos gases de exausto para diferentes misturas

etanol-gua. ........................................................................................................... 49

Figura 18 - Frao volumtrica de CO2 nos gases de exausto para diferentes

misturas etanol-gua.. ............................................................................................ 49

Figura 19 - Dados de emisses para o HC e o CO em motor HCCI de quatro

cilindros em funo do CA50.................................................................................. 50

8

Figura 20 - Dados de emisses para o CO, HC e NOx em motor ciclo Otto modelo

Honda em funo da frao de gua no combustvel. ........................................... 51

Figura 21 Primeiro diagrama presso-volume experimental obtido por Otto em

18/05/1876. ............................................................................................................ 52

Figura 22 - Tempo computacional associado a ferramentas usadas para simulao

do ciclo de operao de motores. .......................................................................... 55

Figura 23 - Comparao entre estimativas da presso e temperatura do cilindro por

trs diferentes modelos. ......................................................................................... 56

Figura 24 - Representao do sistema analisado mediante o modelo de duas zonas

................................................................................................................................. 59

Figura 25 - Procedimento utilizado para ajuste e validao do modelo

termodinmico. ....................................................................................................... 83

Figura 26 - Motor Agrale M-90 comercial. .............................................................. 86

Figura 27 - Densmetro Anton Paar DMA 4500M. .................................................. 88

Figura 28 - ECU FT400 da FuelTech. .................................................................... 90

Figura 29 - Motor montado no sistema de frenagem. ............................................. 91

Figura 30 - Sistema de medio e alimentao de combustvel. ........................... 92

Figura 31 - Vista do painel frontal do analisador CMS-7. ....................................... 95

Figura 32 - Esquema do aparato experimental utilizado. ....................................... 100

Figura 33 - Curvas experimentais de presso obtidas no teste com ponto fixo. .... 108

Figura 34 - Presso no cilindro durante a fase de combusto (ensaio PF). ........... 109

Figura 35 - Curvas experimentais de presso obtidas no teste MBT. .................... 112

Figura 36 - Presso no cilindro durante a fase de combusto (ensaio MBT). ........ 113

Figura 37 - Curva de frao mssica queimada gerada no GT-Power para o E95W5

no ensaio PF. ......................................................................................................... 116

Figura 38 - Diagrama de presso simulada versus experimental para o EHC no

ensaio PF. .............................................................................................................. 118

Figura 39 - Volume especfico da gua e do etanol nas fases de compresso e

combusto do EHC (MBT). .................................................................................... 119

Figura 40 - Gradiente de temperatura no cilindro obtido na simulao do EHC

(PF).......................................................................................................................... 119

Figura 41 - Diagrama PV obtido na simulao com o EHC (PF)............................ 120

9

Figura 42 - Presso, temperatura e diagrama PV obtidos na simulao do E90W10

(ponto fixo). ............................................................................................................ 121

Figura 43 - Presso, temperatura e diagrama PV obtidos na simulao do E80W20

(ponto fixo). ............................................................................................................ 122

Figura 44 - Temperatura e diagrama PV obtidos na simulao do E70W30 (ponto

fixo). ....................................................................................................................... 122

Figura 45 - Presso obtida na simulao do E70W30 (ponto fixo). ........................ 123

Figura 46 - Temperatura e diagrama PV obtidos na simulao do E60W40 (ponto

fixo). ....................................................................................................................... 123

Figura 47 - Presso, temperatura e diagrama PV simulados para o EHC (MBT). . 127

Figura 48 - Presso, temperatura e diagrama PV simulados para o E90W10 (MBT).

................................................................................................................................. 128


............................................................................................................................... 129

Figura 50 - Presso simulada para o ensaio E70W30 (MBT). ............................... 129

Figura 51 -Temperatura e diagrama PV simulados para o E70W30 (MBT). .......... 130


................................................................................................................................. 130

Figura 53 - Potncia experimental e simulada em funo da frao de gua no

combustvel. ........................................................................................................... 133

Figura 54 - Torque de frenagem e simulado em funo da frao de gua no

combustvel. ........................................................................................................... 134

Figura 55 - Consumo especfico de etanol experimental e simulado em funo da

frao de gua no combustvel. ............................................................................. 136

Figura 56 - Consumo especfico experimental e simulado da mistura em funo da

frao de gua no combustvel. ............................................................................. 137

Figura 57 - Eficincia de converso experimental e simulado da mistura em funo

da frao de gua no combustvel. ........................................................................ 139

Figura 58 - Comparao entre as emisses nos ensaios com ponto fixo e com torque

mximo. .................................................................................................................. 140

Figura 59 - Temperatura de exausto dos gases. .................................................. 142

10

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Comparao de propriedades do etanol, gasolina e Diesel. ................. 28

Tabela 2 - Fatores de emisso de escapamento zero km, em g/km. Fonte: 1

Inventrio Nacional de Emisses Atmosfricas por Veculos Automotores

Rodovirios, 2011, p. 34. ....................................................................................... 44

Tabela 3 - Produtos de combusto baixa temperatura, vi (mols/mols de ar). Fonte:

FERGUSON, 1986, p. 109. .................................................................................... 66

Tabela 4 - Valores de C1 e C2 na correlao de Woschni. Fonte: Lounici et al., 2010,

p. 10. ...................................................................................................................... 72

Tabela 5 - Equaes de equilbrio que expressam o efeito da dissociao em

diferentes espcies. ............................................................................................... 78

Tabela 6 - Caractersticas do etanol de posto e de destilaria utilizados nos testes. 88

Tabela 7 - Misturas utilizadas no ensaio com torque mximo. ............................... 89

Tabela 8 - Misturas utilizadas no ensaio com ponto de ignio fixo. ...................... 89

Tabela 9 - Configuraes de medida e parmetros de entrada usados nos ensaios

.................................................................................................................................. 96

Tabela 10 - Condies operacionais estabelecidas e resultados medidos no ensaio

com ponto fixo. ...................................................................................................... 105

Tabela 11 - Parmetros calculados a partir dos dados experimentais do ensaio com

ponto fixo. ............................................................................................................. 106

Tabela 12 - Concentrao de gases na exausto durante o ensaio com ponto fixo.

............................................................................................................................... 107

Tabela 13 - Principais valores de presso no cilindro para as misturas de

combustvel (ensaio com ponto fixo). ................................................................... 108

Tabela 14 - Condies operacionais estabelecidas e resultados medidos no ensaio

MBT. ..................................................................................................................... 110

Tabela 15 - Parmetros calculados dos dados experimentais do ensaio MBT. ... 110

Tabela 16 - Concentrao de gases de escape no ensaio MBT. ......................... 111

Tabela 17 - Principais valores de presso no cilindro para as misturas de

combustvel (ensaio MBT). .................................................................................... 112

Tabela 18 - Caractersticas geomtricas do motor. ............................................... 114

11

Tabela 19 - Parmetros de operao utilizados nas simulaes do ensaio com ponto

fixo. ........................................................................................................................ 115

Tabela 20 - Valores iniciais de a e n estimados no ensaio com ponto fixo. .......... 116

Tabela 21 - Coeficientes estimados para as misturas de etanol super-hidratado no

ensaio com ponto fixo. .......................................................................................... 117

Tabela 22 - Parmetros obtidos da simulao do EHC (PF). ................................ 120

Tabela 23 - Principais parmetros obtidos nas simulaes com ponto de ignio fixo.

................................................................................................................................ 124

Tabela 24 - Parmetros de operao utilizados nas simulaes do ensaio MBT. 125

Tabela 25 - Estimativa inicial dos coeficientes da equao de Wiebe (MBT). ...... 126

Tabela 26 - Coeficientes estimados para as misturas de etanol super-hidratado no

ensaio MBT. .......................................................................................................... 126

Tabela 27 - Principais parmetros obtidos na simulao do EHC (MBT). ............. 128

Tabela 28 - Principais parmetros das simulaes (MBT). .................................. 131

Tabela 29 - Variaes relativas de potncia para cada mudana no combustvel. 133

Tabela 30 - Variao relativa de potncia entre os dois ensaios. ......................... 133

Tabela 31 - Variaes percentuais do torque para cada mudana no combustvel.

................................................................................................................................ 135

Tabela 32 - Variao relativa do torque entre os ensaios. .................................... 135

Tabela 33 - Variaes relativas do consumo especfico de etanol para cada

mudana no combustvel. ..................................................................................... 136

Tabela 34 - Variao relativa do consumo especfico de etanol entre os ensaios. 136

Tabela 35 - Variaes relativas do consumo especfico da mistura para cada

mudana no combustvel. ..................................................................................... 138

Tabela 36 - Variao relativa do consumo especfico de mistura entre os ensaios.138

Tabela 37 - Variaes relativas no rendimento para cada mudana no combustvel.

................................................................................................................................ 139

Tabela 38 - Variao relativa da eficincia de converso entre os ensaios. ......... 139

12

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Caractersticas do motor: Configurao original x modificada. ............ 87

Quadro 2 - Especificaes do sensor GH14D. Fonte: www.avl.com (acessado em

17/12/2012). ........................................................................................................... 93

13

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANFAVEA Associao Nacional dos Fabricantes de Veculos Automotores

ANP Agncia Nacional de Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis

ATM Massa mdia admitida por revoluo, do ingls Averaged Trapped

Mass

CAD Crank angle degree: ngulo de manivela ou ngulo de

virabrequim

CA50 ngulo de virabrequim no qual ocorre 50% da liberao de calor

CFD Computer Fluid Dynamics: Fluidodinmica Computacional

CH3OO Radical peroximetil

CH4 Metano

CO Monxido de carbono

CO2 Dixido de carbono

CPU-time Tempo de processamento associado s simulaes

computacionais

EAC Etanol anidro combustvel

EDO Equao Diferencial Ordinria

EEA European Environment Agency: Agncia Ambiental Europia

EGR Exhaust Gas Recirculation

EHC Etanol hidratado combustvel

EPA U.S. Environmental Protection Agency: Agncia de Proteo

Ambiental dos Estados Unidos

E90W10 Mistura de etanol superhidratado com concentrao volumtrica

de 90% de etanol e 10% de gua







14

FARG Fuel-air residual gases: rotina para determinar o estado inicial da

mistura entre ar, combustvel e gases residuais

GEEs Gases do efeito estufa

H Hidrognio (tomo)

H2 Hidrognio (molcula)

H2O gua

HC Hidrocarbonetos no queimados

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition Engine: motor de

ignio por compresso de carga homognea

HO2 Radical hidroperoxila

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change: Painel

Intergovernamental de Mudanas Climticas

JANAF Tabelas que compilam dados termodinmicos para diversos

compostos e elementos, publicadas pela National Bureau of

Standards (Secretaria Nacional de Padres)

MBT Maximum Brake torque: torque de frenagem mximo

N2 Nitrognio (molcula)

N2O xido nitroso

NIATI National Institute for Advanced Transportation Technology

NMHC Non methane hydrocarbons: hidrocarbonetos exceto o metano

N-N Ligao entre os tomos de nitrognio

NO xido de nitrognio

NO2 Dixido de nitrognio

NOx xidos de nitrognio

O Oxignio (tomo)

O2 Oxignio (molcula)

OH Radical hidroxila

OICA Organisation Internationale ds Constructeurs

dAutomobiles:Organizao Internacional dos Construtores de

Automveis

BTDC Degrees Before Top Dead Center: graus antes do ponto morto superior

INPM Porcentagem de lcool em peso, unidade utilizada pelo Instituto

Nacional de Pesos e Medidas

15

PAN Nitrato de peroxiacetil

PF Ponto fixo referncia a um dos mtodos de ensaio usados

PCI Poder calorfico inferior

PMI Ponto morto inferior

PMS Ponto morto superior

SMOG Juno de "smoke" (fumaa) e "fog" (nevoeiro): poluio

atmosfrica derivada de reaes fotoqumicas de emisses

TCA Temperatura de chama adiabtica

TP Throttle Position: vlvula de controle de acelerao

16

LISTA DE SMBOLOS

A rea ocupada pelo gs (m)

a primeiro coeficiente da equao de Wiebe

af coeficiente f das curvas polinomiais para o combustvel (adimensional)

an coeficiente n das curvas polinomiais para gases (adimensional)

B dimetro do cilindro (m)

C constante de blow-by do pisto (adimensional)

C0W constante da correlao de Woschni (adimensional)

C1 constante da correlao de Hohenberg (adimensional)

C1W constante da correlao de Woschni (adimensional)

C2 constante da correlao de Hohenberg (adimensional)

C2W constante da correlao de Woschni (m/s.K)

Cp calor especfico a presso constante (J/g.K)

E energia total no sistema (J)

ETA eficincia de converso do combustvel

eps razo entre o curso do pisto e o comprimento da biela

f(x) conjunto de dados de entrada no mtodo de mnimos quadrados

f(x) funo de entrada no mtodo de mnimos quadrados

FS razo combustvel-ar

H entalpia (J)

h entalpia especfica (J/g)

hc coeficiente de troca trmica (J/m.K)

k coeficiente isoentrpico

K constante de equilbrio (adimensional)

l comprimento da biela (m)

m massa no cilindro (g ou mg)

m1 massa inicial no cilindro (g ou mg)

M massa molar (g/mol)

Mmist massa molar da mistura (g/mol)

Mfuel massa molar do combustvel (g/mol)

n segundo coeficiente da equao de Wiebe

nR nmero de revolues do virabrequim

17

P presso no cilindro (MPa ou bar)

Pi Presso inicial no sistema (MPa ou bar)

Pm motored pressure (MPa ou bar)

Pot potncia indicada (kW)

Q calor transferido no sistema (J)

Qin calor gerado no ciclo (J)

QLHV poder calorfico inferior (J/g ou MJ/kg)

r razo de compresso

Ru constante dos gases ideais (8,31434 J/mol.K)

R constante do gs especfica de um componente ou da mistura

S curso do pisto (m)

S entropia (J)

s entropia especfica (J/g)

spfc consumo especfico de combustvel (g/kWh)

spfcET consumo especfico de etanol (g/kWh)

spfcMIX consumo especfico de mistura (g/kWh)

T temperatura (K)

T1 temperatura inicial no sistema (K)

Torque torque (N.m)

U energia interna (J)

u energia interna especfica (J/g)

V volume do cilindro (m ou cm)

v volume especfico (m/g ou cm/g)

v1 volume especfico inicial da mistura (m/g ou cm/g)

VBDC volume no ponto morto inferior (m ou cm)

Vmp velocidade mdia do pisto (m/s)

VTDC volume no ponto morto superior (m ou cm)

W trabalho transferido no sistema (J)

w trabalho especfico (J/g)

x frao entre gases queimados e no queimados

xb frao mssica queimada

xw frao de gua no combustvel

yfuel frao molar do combustvel

18

yi frao molar da espcie i

durao da combusto (graus)

nmero de tomos de carbono no combustvel

nmero de tomos de hidrognio no combustvel

nmero de tomos de oxignio no combustvel

nmero de tomos de nitrognio no combustvel

v eficincia volumtrica

T eficincia trmica indicada

razo combustvel-ar molar

0 exergia do combustvel (J/g)

ngulo de virabrequim (graus ou radianos)

velocidade de rotao (rad/s)

razo de equivalncia combustvel/ar da mistura (adimensional)

19

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................................... 22

1.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 24 1.1.1 Objetivos Especficos ......................................................................... 24

2 REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................... 25

2.1 Matriz energtica e Mudanas climticas .................................................. 25 2.2 Etanol Combustvel ................................................................................... 27 2.3 Custos relacionados produo do lcool ................................................ 32 2.4 Efeito da hidratao nas propriedades do etanol ...................................... 34 2.5 Motor de ignio por centelha ................................................................... 37 2.6 Gerao de poluentes em motores ciclo Otto ........................................... 42 2.7 Impactos do uso de etanol super-hidratado em motores ciclo Otto .............. 45

2.7.1 Operao e desempenho ................................................................... 45 2.7.2 Emisses ............................................................................................ 48

2.8 Modelagem e simulao de motores ciclo Otto ......................................... 51

3 DESCRIO DO MODELO ............................................................................ 57

3.1 Propriedades termodinmicas ................................................................... 61 3.1.1 Propriedades do ar e dos produtos de combusto ............................. 61 3.1.2 Propriedades do combustvel ............................................................. 62 3.1.3 Outras relaes termodinmicas ........................................................ 62

3.2 Composio inicial da mistura ................................................................... 65 3.3 Volume e massa no cilindro ...................................................................... 69 3.4 Combusto ................................................................................................ 69 3.5 Temperatura de chama adiabtica ............................................................ 70 3.6 Transferncia de calor ............................................................................... 71 3.7 Soluo numrica..................................................................................... 74 3.8 Composio dos produtos de combusto ................................................. 77 3.9 Parmetros de desempenho ..................................................................... 81 3.10 Mtodos numricos e computacionais ...................................................... 83

3.10.1 Resoluo de EDOs ........................................................................ 84 3.10.2 Estimao de Parmetros ............................................................... 84

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................. 86

4.1 Motor de testes ......................................................................................... 86 4.2 Combustveis utilizados ............................................................................. 87 4.3 Mdulo de injeo eletrnica ..................................................................... 89 4.4. Sistema de frenagem ................................................................................ 90 4.5 Sistema de medio e alimentao de combustvel.................................. 91 4.6 Medio de presso .................................................................................. 92 4.7 Medio de temperatura ........................................................................... 94 4.8 Anlise de gases ....................................................................................... 94

20

4.9 Sistema de aquisio de dados ................................................................ 97 4.9.1 Sensores de presso, roda dentada e sonda lambda ........................ 97 4.9.2 Analisador de gases ........................................................................... 98

4.10 Metodologia dos ensaios experimentais ...................................................... 99 4.10.1 Procedimento de partida, aquecimento e parada do motor ................. 100 4.10.2 Ensaio de frenagem ............................................................................ 101 4.10.3 Troca de combustveis e medio da taxa de consumo ...................... 102 4.10.4 Concentrao de gases de exausto .................................................. 102

5 RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................................... 104

5.1 Resultados experimentais: Ensaio com ponto fixo ..................................... 105 5.1.1 Caractersticas de operao ................................................................ 105 5.1.2 Emisses ............................................................................................. 107 5.1.3 Curvas de presso ............................................................................... 107

5.2 Resultados experimentais: Ensaio MBT ..................................................... 109 5.2.1 Caractersticas de operao ................................................................ 109 5.2.2 Emisses ............................................................................................. 111 5.2.3 Curvas de presso ............................................................................... 111

5.3 Resultados da simulao: Ponto fixo ........................................................ 113 5.3.1 Parmetros de entrada do modelo ...................................................... 113 5.3.2 Estimao de parmetros .................................................................... 115 5.3.3 Simulao do EHC .............................................................................. 117 5.3.4 Simulao das misturas de etanol super-hidratado ............................. 120

5.4 Simulaes: MBT ...................................................................................... 125 5.4.1 Parmetros de entrada no modelo .......................................................... 125 5.4.2 Estimao de parmetros .................................................................... 126 5.4.3 Simulao para o EHC ........................................................................ 127 5.4.4 Simulao das misturas de etanol super-hidratado ............................. 128

5.5 Comparao entre os resultados ............................................................... 131 5.5.1 Potncia ............................................................................................... 132 5.5.2 Torque ................................................................................................. 134 5.5.3 Consumo especfico de combustvel ................................................... 135 5.5.4 Rendimento ......................................................................................... 138 5.5.5 Emisses ............................................................................................. 140 5.5.6 Temperatura de exausto .................................................................... 141

6. CONCLUSES ............................................................................................. 143

6.1 Sugestes para trabalhos futuros ............................................................. 144

REFERNCIAS ....................................................................................................... 145

Apndice A Coeficientes de GORDON & McBRIDE (1971) para propriedades

termodinmicas dos gases - Equaes (6.1) at (6.3)........................................ 152

Apndice B Coeficientes de HEYWOOD (1988) para propriedades

termodinmicas do etanol Equaes (7.1) at (7.3). ....................................... 153

21

Apndice C Coeficientes da equao de determinao das constantes de

equilbrio - Equao (67). Fonte: FERGUSON (1986). ........................................ 154

Anexo A Correlaes utilizadas para clculo da concentrao de CO2 na

rotina interna do CMS-7. Fonte: MADUR (2007). ................................................ 155

22

1 INTRODUO

A busca por fontes de energia que minimizem os impactos econmicos e

ambientais sem a necessidade de mudanas severas no estilo de vida moderno tem

estimulado a pesquisa e desenvolvimento de combustveis alternativos. O uso de

etanol como combustvel automotivo consiste em uma tecnologia firmemente

assentada no Brasil e tem fomentado muitos pases a se aperfeioarem em sua

produo para este fim. Contudo, os custos relacionados ao seu atual modelo de

produo tm sido ocasionalmente apontados como uma desvantagem a sua

utilizao (Martinez-Frias et al., 2007). Entre estes custos destaca-se o gasto

energtico necessrio para destilao do mosto, que gera um produto final com

composio aproximada de 95% em volume de etanol em gua (Hira et al., 2008). A

formao do azetropo torna invivel a destilao acima desta composio e o

processo de desidratao posterior agrega um alto custo energtico.

A utilizao de etanol combustvel com altas fraes volumtricas de gua

surge como um recurso que permitiria diminuir o custo de fracionamento durante a

produo do etanol. A partir de uma pesquisa bibliogrfica pde-se observar que so

escassas as fontes disponveis que investigam o desempenho de motores ciclo Otto

operando com etanol hidratado que no aquele com elevada concentrao (entre

95,1% e 96% em volume, conforme a Resoluo ANP n 07, de 09 de fevereiro de

2011). No decorrer deste texto, a designao etanol super-hidratado foi adotada

para misturas com mais de 5% em volume de gua.

Estudos pautados no uso de etanol super-hidratado geralmente se baseiam

em motores HCCI ou ento na combusto em reatores tubulares (Beyerlein et. al,

2001; Breaux et. al, 2012; Mack et. al, 2009; Wang et. al, 2004). Entre os resultados

destes estudos que podem ser extrapolados para motores ciclo Otto citam-se a

perda de eficincia trmica e o aumento do consumo especfico de combustvel

decorrente da crescente adio de gua. Em paralelo, a diminuio da temperatura

de combusto e do tempo de residncia da mistura na cmara, em funo do

avano de ignio, podem acarretar efeitos diversos nas emisses de CO, HC e

NOx.

23

A avaliao experimental dos efeitos do uso de etanol super-hidratado em

motores ciclo Otto de grande valia, embora os mtodos de ensaios virtuais

possibilitem explorar numerosas opes (maiores do que em testes in loco) a um

custo muito menor. Santos (2009) destaca que a avaliao de motores por

simulao leva a resultados mais rpidos e menos dispendiosos e torna possvel

avaliar o desempenho de um combustvel em condies diferentes das

estabelecidas pelos dados experimentais dos ensaios.

Dentre os modelos de simulao existentes, os modelos fenomenolgicos se

destacam por sua relativa simplicidade e velocidade de resposta quando

comparados aos modelos multidimensionais. A diferena principal entre ambos

que nos primeiros so usados correlaes empricas e semi-empricas para

descrio dos processos enquanto nos ltimos so usadas tcnicas iterativas para

resolver as equaes de conservao em volumes de controle infinitesimais no

interior do cilindro. Entretanto, estas simulaes exigem processadores potentes e

envolvem elevados custos computacionais. Adicionalmente, os softwares comerciais

muitas vezes trabalham com modelos que no esto disponveis aos usurios

(comumente chamados de softwares black box ou caixa preta), alm de

apresentarem custos elevados associados a licenas de uso.

Chiodi (2011, p.29) considera os modelos fenomenolgicos como os mais

apropriados para anlise conjunta com testes de bancada nos quais maior esforo

cientfico tm sido investido. Tambm destaca a capacidade de anlise dos

principais processos termodinmicos que afetam a mistura no decorrer do ciclo de

operao.

Uma anlise das relaes empricas existentes nos modelos mostra que os

coeficientes ali presentes permitem que tcnicas de estimao de parmetros sejam

empregadas de modo a diminuir os erros de predio do modelo, permitindo um

melhor ajuste aos dados experimentais. Por ter uma interface que contemple a

modelagem, simulao e otimizao e tambm permitir fcil interao com os dados

experimentais, o Matlab um software adequado para este tipo de problema. Desta

forma, a elaborao de um modelo acessvel, de cdigo aberto, que opere em um

software de programao largamente difundido como o Matlab permite criar uma

ferramenta til para uso em estudos futuros.

24

1.1 Objetivo Geral

Elaborar um modelo matemtico que avalie a operao e o desempenho de

um motor de combusto interna utilizando diferentes combustveis: etanol hidratado

combustvel (EHC) e misturas de lcool e gua nas propores de 90% (E90W10),

80% (E80W20), 70% (E70W30) e 60% (E60W40) em volume de etanol.

1.1.1 Objetivos Especficos

Simular a variao de presso e temperatura dos gases no interior do cilindro;

Simular o trabalho gerado, o calor transferido, a potncia indicada, o torque

indicado, o consumo especfico de combustvel e o rendimento de converso

do combustvel;

Verificar as emisses dos gases de exausto, sendo: CO2 (% volume), CO

(ppm), NO2 (ppm) e HC (% volume);

Comparar o desempenho do motor com os diferentes combustveis;

25

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Matriz energtica e Mudanas climticas

O uso de combustveis fsseis figura entre as principais causas que guiaram

a humanidade a estabelecer o chamado padro de vida moderno, e tem sido a

base fundamental para a manuteno do mesmo. A gerao de energia eltrica, no

mbito global, fortemente dependente do consumo de carvo, gs natural e da

queima de derivados do petrleo. Da mesma forma, conforme os pases emergentes

atingem maiores graus de desenvolvimento, exigem acesso seguro e crescente a

recursos de energia eltrica e transporte. No que concerne gerao eltrica o

Brasil exceo regra, visto que 74,9% de sua oferta interna de energia eltrica

provm do setor hidreltrico (Balano Energtico Nacional, 2011, p. 20). Contudo, o

consumo energtico no setor de transporte encontra-se predominantemente

assentado no uso de derivados lquidos do petrleo, como a gasolina e o leo

Diesel. A Figura 1 mostra a produo e consumo mundial de petrleo ao longo dos

ltimos dez anos, obtidos na British Petroleum Statistical Review (BP, 2012, p. 9-10).

Figura 1 - Produo e consumo mundial de petrleo no perodo 2001-2011 (BP, [2012], p. 9-10).

26

O grfico da Figura 1 mostra como a produo global de petrleo acompanha

de perto o consumo global (este maior que aquele devido variao de estoques de

barril). Um estudo da U.S. Energy Information Administration (2011, p. 2-3), sugere

um aumento de 53% no consumo de energia entre os anos de 2008 e 2035, ano no

qual previsto uma expressiva participao de 80% dos combustveis fsseis na

matriz energtica. Devido natureza limitada dos combustveis fsseis, fruto de

milhes de anos de transformao da matria orgnica, o consumo crescente ou

mesmo constante eventualmente ir exceder a produo, podendo levar inclusive

escassez. Cenrios semelhantes so projetados para o carvo e o gs natural.

Baseando-se nestas previses, torna-se clara a necessidade de desenvolver

combustveis alternativos antes do perodo de carncia dos recursos convencionais.

O fato de os combustveis fsseis serem um recurso finito no a nica

caracterstica que estimula a busca por fontes alternativas. O relatrio Climate

Change 2007: Synthesis Report (IPCC, 2007) apresentou uma avaliao das

principais mudanas climticas e suas causas do perodo compreendido entre 1850

e 2005. Os resultados mostraram que a temperatura mdia global aumentou a taxa

de 0,13C por dcada entre 1956 e 2005, o nvel dos mares subiram 1,8 mm por ano

entre 1961 e 2003 e a cobertura polar do Mar rtico encolheu 2,7% por dcada de

1978 a 2005. A razo destas mudanas atribuda s modificaes na

concentrao atmosfrica de Gases de Efeito Estufa (GEEs) que geram alteraes

no balano de energia climtico, visto que a taxa de emisso tem superado a taxa

de remoo dos mesmos da atmosfera. As atividades humanas resultam em

emisses de quatro principais de GEEs de longa vida: dixido de carbono (CO2),

metano (CH4), xido nitroso (N2O) e halocarbonos (grupo de gases contendo flor,

cloro ou bromo). Entre 1970 e 2004, as emisses globais destes gases aumentaram

70%, sendo a maior parcela devido ao CO2 decorrente da queima de combustveis

fsseis, sendo de 56,6% em 2004 (IPCC, 2007). Dentre os sistemas de combusto

que geram estes poluentes predominam os motores de combusto interna, que

esto entre os maiores causadores da poluio urbana.

Em conjunto com o CO2, os principais poluentes de interesse no caso de

motores de ignio por centelha operando com combustveis fsseis so os xidos

de nitrognio (NO e NO2), o monxido de carbono (CO), os hidrocarbonetos no

queimados (HC) e compostos orgnicos como benzeno, acetaldedo, formaldedo e

27

1,3-butadieno (Hochgreb, 1998, p. 119). O CO uma substncia altamente txica

at mesmo em baixas propores. Quando combinado com a hemoglobina presente

no sangue, reduz drasticamente a capacidade de transporte do oxignio para as

clulas, podendo ocasionar a morte de humanos e animais (Mcallister, 2011, p. 177).

Paralelamente, o fenmeno de smog, comum nos grandes centros urbanos, ocorre

como resultado de interaes fotoqumicas entre os hidrocarbonetos no queimados

e o NOx, resultando em maiores nveis de oznio e outros oxidantes na troposfera

(Heywood, 1998, p. 4). Dentre os orgnicos, os aldedos se destacam por serem

classificados como potenciais agentes carcinognicos pela U.S. Environmental

Protection Agency (EPA, 2007).

Em muitos pases, a emisso de poluentes por motores veiculares sobrepe-

se a queima de carvo como principal preocupao. Um estudo da European

Environment Agency demonstra que o transporte rodovirio na Europa

responsvel por 68,9% das emisses de CO e 62,9% das emisses de NOx (EEA,

2008). Embora os padres de emisses da prpria EEA estabeleam limites cada

vez mais restritivos, os esforos para reduzir as emisses de veculos individuais

esto em risco de serem ultrapassados pelo aumento no volume do trfego.

Somente no perodo 2011-2012 o aumento na produo mundial de veculos foi de

5,3% segundo a Organisation Internationale ds Constructeurs dAutomobiles (OICA,

2012).

2.2 Etanol Combustvel

Dentre os combustveis automotivos, o etanol possui inmeras propriedades

que sugerem que a sua combusto resulta em redues significativas nas emisses

de poluentes veiculares. O etanol no contm olefinas, compostos aromticos e com

enxofre, que esto presentes na gasolina e no leo Diesel e possuem impacto

negativo na qualidade do ar. No Brasil, o etanol tem sido utilizado na forma de etanol

anidro combustvel (EAC), com teor alcolico mnimo de 99,6 % em volume, para ser

usado na formulao da gasolina tipo C, e como etanol hidratado combustvel (EHC)

destinado venda em postos, com teor entre 95,1% e 96% em volume (Resoluo

28

ANP n 7, 2011). Na gasolina tipo C, o EAC constitui um aditivo oxigenado que

permite uma combusto mais completa, diminuindo o teor de hidrocarbonetos no

queimados, NOx e benzeno na exausto de motores (Zvirin et al., 1998, p. 606). A

Tabela 1 permite comparar as propriedades do etanol com a gasolina e com o

Diesel, a fim de observar o seu impacto no uso para fins carburantes.

Tabela 1 - Comparao de propriedades do etanol, gasolina e Diesel.

Propriedade Etanol Anidro

Gasolina Diesel

Frmula CH3CH2OH C4 - C12 C8 - C20

C, % massa 52,14 85 - 88 85 - 88

H, % massa 13,13 12 - 15 12 - 15

O, % massa 34,73 - -

Densidade, g/cm (20C/4C) 0,7893 0,69 - 0,8 0,82 - 0,86

Calor latente de vaporizao, MJ/kg (20C)

0,839 0,349 0,256

Poder Calorfico Inferior, MJ/L (20C)

21,09 32,16 35,4

Ponto de Fulgor, C 12,8 -43 a -39 52 - 96

Razo ar/combustvel estequiomtrica, % massa

8,97 14,7 14,5

Limites de inflamabilidade, % volume em ar

4,3 - 19 1,4 - 7,6 1 - 5

Nmero de Octanas (equivalente) 92 80 - 88 -

Nmero de Cetanas (equivalente) 8 8 - 14 40 - 60

Presso de Vapor, kPa (38C) 16 48 - 103 -

Fonte: Biomass for Renewable Energy,Fuels and Chemicals (Klass, 1998, p. 392).

Entre as vantagens do etanol encontra-se o fato de ser produzido a partir de

um recurso renovvel (biomassa), estar mais uniformemente distribudo no mundo,

podendo ser produzido localmente, e ter potencial para diminuir significantemente as

emisses de CO2 quando seu ciclo de vida completo levado em considerao

(Bailey, 1996, p. 37). Em termos de operao do motor, o maior nmero de octanos

29

do etanol em relao gasolina lhe confere excelentes propriedades antidetonantes.

Esta caracterstica permite o uso de maiores razes de compresso, com

incrementos entre 6% e 10% na eficincia trmica terica de motores ciclo Otto

(Bailey, 1996, p. 45). Por outro lado, a elevada octanagem implica em um baixo

nmero de cetanos, o que dificulta o uso de etanol em motores Diesel.

Por ter um calor latente de vaporizao consideravelmente maior que o da

gasolina, o etanol tende a no evaporar completamente durante a fase de admisso

no cilindro, continuando a evaporar durante a fase de compresso. Desta maneira,

para uma mesma frao de combustvel evaporado (em relao gasolina) o

resfriamento e a quantidade de ar admitido na cmara de combusto so maiores.

Assim, a temperatura diminui e a densidade da mistura ar-combustvel aumenta,

promovendo um aumento da eficincia volumtrica (Klass, 1998, p. 393; Zvirin et al.,

1998, p. 604). Paralelamente, o maior intervalo entre os limites de inflamabilidade do

etanol amplia a faixa da razo ar-combustvel na qual o motor pode operar.

Por outro lado, entre as desvantagens mais observadas no uso de etanol

combustvel em motores citam-se:

O poder calorfico do etanol consideravelmente menor que da gasolina e do

Diesel. Portanto, uma quantidade maior de combustvel necessria para suprir o

motor com uma mesma quantidade de energia ou, em outros termos, o consumo

especfico de combustvel tende a ser maior;

A baixa presso de vapor do etanol, em conjunto com o elevado ponto de fulgor

(menor temperatura na qual um combustvel liberta vapor em quantia suficiente para

formar uma mistura inflamvel), dificulta a partida de motores em baixas

temperaturas, sendo necessrio um sistema de partida a frio em temperaturas

menores que 13C (Sales et al., 2012, p. 190);

O uso de etanol resulta em aumento nas emisses de formaldedo e acetaldedo

(Zvirin et al., 1998, p. 604-606). Alm de serem nocivos por si s, estes

componentes aceleram a formao de poluentes secundrios, como os radicais

hidroperoxila (HO2), peroximetil (CH3OO) e o nitrato de peroxiacetil (CH3=OO2NO2)

(Tanner et al., 1988, p. 1027).

Costa et al. (2009) compararam o desempenho e as emisses de um motor

ciclo Otto operando com etanol hidratado em comparao com a gasolina tipo C

30

(com 22% em volume de etanol anidro) evidenciando um aumento na eficincia

trmica quando da operao com etanol hidratado, justificado pelo curto perodo de

queima associado ao maior avano de ignio (Figura 2). O etanol hidratado

produziu emisses maiores de CO2 e menores de CO em comparao com a

gasolina tipo C (Figura 3).

Figura 2 - Ponto de ignio em graus antes do PMS (degrees before top dead center, BTDC) e eficincia

trmica etanol hidratado em comparao com a gasolina tipo C. Fonte: Costa et al. (2009, p. 290-292).

Figura 3 - Emisses do etanol hidratado em comparao com a gasolina tipo C. Fonte: Costa et al. (2009,

p. 290-292).

Na dcada de 1980 o etanol foi o combustvel mais utilizado em veculos de

passeio, perdendo esse posto devido a uma crise de desabastecimento em 1989 e

31

queda dos preos internacionais do petrleo. No ano de 2008 seu consumo

ultrapassou novamente a gasolina, porm foi superado mais uma vez em 2010,

conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 - Vendas de etanol1 e gasolina automotiva

2 no Brasil - 2001-2010. Fonte: ANP (2011).

1Inclui as vendas de etanol hidratado e de etanol anidro misturado na gasolina C. 2Inclui apenas a gasolina A. Exclui o etanol anidro misturado gasolina C.

As caractersticas singulares do etanol tm estimulado muitos pases a se

aperfeioarem em sua produo para fins carburantes, notadamente os Estados

Unidos e o Brasil, responsveis por mais de 86% da produo mundial em 2010

(Boundy et al., 2011). Outras regies tambm pretendem ampliar a produo ou a

participao dos biocombustveis em sua matriz energtica, como a Europa, sia e

Austrlia (Sorda et al., 2010, 6982-6986).

No ano de 2011 o nmero de veculos flex fuel fabricados no Brasil

corresponderam a 74,3% da produo nacional, existindo 14,5 milhes de unidades

fabricadas desde 2003 (ANFAVEA, 2012, p. 61), quando o modelo foi lanado no

mercado brasileiro. Esta flexibilidade possibilitou aos consumidores escolher qual

combustvel utilizar em funo do preo. Desta forma, o etanol tem aumentado

progressivamente sua importncia como combustvel, sendo o crescimento da venda

de veculos flex fuel a principal razo do aumento em sua demanda (Freitas et al.,

2011, p. 1146).

32

2.3 Custos relacionados produo do lcool

A cana-de-acar a base da produo do etanol brasileiro, que nas usinas

tm incio com a limpeza e moagem da cana, quando o caldo separado do bagao.

O caldo segue para etapa de fermentao onde gerado o mosto, composto

majoritariamente por etanol, e gua. Como o ponto de ebulio do etanol (78C)

consideravelmente menor que da gua (100C), sua separao realizada mediante

a destilao. Aps o fracionamento da mistura na coluna, o vapor do etanol

separado ento condensado e o processo repetido at a obteno da mxima

concentrao de etanol no produto de topo. A formao de mistura azeotrpica

limita esta concentrao a um valor aproximado de 95% em volume de etanol em

gua (Hira et al., 2008, p. 2451). O etanol hidratado efluente da torre pode ser

armazenado para uso na sntese do EHC comercial ou ento desidratado para

produo de etanol anidro.

As etapas de destilao e de desidratao se destacam como os principais

pontos relacionados aos custos de produo. Mesmo em casos em que o etanol

hidratado o produto final, percebe-se que para a obteno de graus de pureza

acima de 80% em volume de etanol o custo energtico da destilao em relao ao

PCI do etanol, at ento linear, torna-se exponencial, como mostrado na Figura 5

(Saxena et al., 2012, p. 449).

Figura 5 - Razo entre a energia necessria para destilao do etanol e o poder calorfico inferior do

produto (Lower Heating Value). Fonte: Saxena et al., 2012, p. 449.

33

Em muitos pases, os altos custos relacionados obteno do etanol so

apontados como indcios de inviabilidade econmica. Martinez-frias et al. (2007, p.

332) afirmaram que nos Estados Unidos a produo de etanol frequentemente

considerada dependente de subsdios do governo para ser competitiva, alm de

afirmar que as vantagens energticas advindas da produo e uso de etanol de

milho so pequenas. Atravs de um balano de energia para produo de etanol de

milho, incluindo os coprodutos gerados (leo e amido de milho), pde-se perceber

que a destilao corresponde a 23% do custo energtico total, somando 37%

quando a desidratao necessria para converso do etanol hidratado em anidro.

Para outras matrias-primas, a frao do custo energtico relacionado destilao

costuma variar pouco. Tomando como exemplo a mandioca, Salla et al. (2010, p.

447) demonstraram que a destilao do mosto fermentado para produo de etanol

corresponde a 41,26% do dispndio energtico relacionado ao processamento

industrial da mandioca.

Uma possibilidade para aumentar o saldo energtico do etanol consiste no

desenvolvimento de novas tcnicas que o tornem utilizvel mediante custos

energticos menores. O uso de etanol hidratado por si s constitui uma maneira de

eliminar dispendiosos processos de desidratao. Desta forma, embora muitas

aplicaes exijam o uso de etanol anidro, encontrar aplicaes prticas para o etanol

hidratado pode tornar o balano energtico do etanol muito mais atrativo. Do mesmo

modo, como mostra a Figura 5, um retorno energtico ainda maior pode ser obtido

com a utilizao de etanol com altas fraes volumtricas de gua.

Mack et al. (2009) fazem uma comparao entre o custo energtico associado

a produo de etanol anidro e da mistura de 35% em volume de etanol em gua. A

Figura 6 mostra o consumo energtico relativo a todos os estgios de produo do

etanol de milho como uma porcentagem do poder calorfico do etanol e dos

coprodutos.

34

Figura 6 - Comparao do custo energtico do etanol anidro e do etanol super hidratado com composio

de 35% em volume. Fonte: Mack et al. (2009, p. 783).

A diluio de etanol com 65% em volume de gua provavelmente tornaria seu

uso de difcil aplicao (Breaux, 2009, p. 22). No entanto, possvel operar com

graus de hidratao mais moderados que resultem em uma funcionalidade razovel

e tenham potencial para reduzir substancialmente o custo da produo de etanol.

Como exemplo, Ladisch et al. (1979) indicaram que a utilizao de misturas com

80% em volume de etanol exigiriam cerca de um quarto da energia da que seria

necessria para alcanar a destilao de etanol a 95% em volume. neste contexto

que o uso de etanol super-hidratado surge como uma alternativa na reduo dos

custos associados produo do etanol.

2.4 Efeito da hidratao nas propriedades do etanol

O conhecimento do comportamento das propriedades fsico-qumicas de

misturas combustveis contendo gua fornece subsdios para prever seu

comportamento durante a combusto. Rajan et al. (1982) investigaram as

35

caractersticas calorimtricas e de miscibilidade entre misturas de etanol, gua e

gasolina. O estudo demonstrou que possvel misturar estes componentes de forma

a obter misturas estveis e detectou um limite para quantidade de gasolina

adicionada na mistura como funo do teor de gua presente no lcool (para

misturas de etanol hidratado com 6% em volume de gua a frao de gua na

mistura com gasolina no pode ultrapassar 1,4% em volume). A existncia deste

limite se deve ao fato da mistura binria de gasolina e gua ocasionar a formao de

duas fases imiscveis, pois a primeira um composto apolar (com pares de eltrons

igualmente distribudos na molcula) enquanto a segunda um composto polar (com

distribuio desigual dos pares eletrnicos na molcula).

Por outro lado, o etanol uma molcula fracamente polar que apresenta um

ngulo de ligao de 105 entre o carbono central e o radical OH. Este ngulo

semelhante em mdulo ao apresentado pela molcula de gua (109), que tambm

uma substncia polar (Figura 7). Estas similaridades permitem que o lcool e a

gua sejam miscveis em todas as propores, de forma que reaes de combusto

em fase lquida e gasosa sejam possveis com esta mistura (Steciak et al., 2001).

Entretanto, a formao desta mistura no mantm as propriedades do combustvel

inalteradas. A contnua hidratao do etanol acarreta uma reduo no poder

calorfico do combustvel, consequncia da crescente frao de energia

correspondente ao calor latente de vaporizao da gua. Esta relao indicada por

Breaux et al. (2011) conforme mostra a Figura 8.

Figura 7 - ngulos de ligao entre molculas de etanol e gua. Fonte: Steciak et al. (2001).

36

Figura 8 - Efeito da frao de gua no poder calorfico do etanol. Fonte: Breaux et al. (2011)

Estimativas dos efeitos da adio de gua sobre as propriedades do etanol

podem ser feitas a partir das relaes entre propriedades de misturas. A presso de

vapor da gua a 38C de 6,63 KPa (Perry, 1999, cap. 2, p. 49), sendo

consideravelmente menor que a do etanol puro (16 KPa a 38C). Assim, pela lei de

Raoult, a presso de vapor da mistura de etanol e gua tende a diminuir conforme a

frao molar de gua aumenta. Este decrscimo na volatilidade pode acarretar

diminuio nas emisses evaporativas em tanques de armazenamento de

combustvel. Entretanto, a mesma relao vlida para o ponto de fulgor,

acentuando ainda mais os problemas de partida a frio do etanol.

O calor latente de vaporizao e o volume especfico so propriedades que

podem ser destacadas devido a sua influncia na combusto. A mudana de fase da

gua exige 2,26 MJ/kg a 100C (Couper et al., 2005, p. 731), que representa cerca

de 250% a mais do que a energia necessria para vaporizar o etanol (0,839 MJ/kg).

Desta informao possvel deduzir que a temperatura de combusto tende a ser

menor, visto que uma frao da energia direcionada mudana de fase da

mistura. Adicionalmente, o calor de vaporizao requerido pela gua aumentaria a

resistncia detonao do combustvel. Por outro lado, para uma mesma

temperatura e presso, o volume especfico da gua no estado gasoso maior do

que do etanol e do CO2, que um dos principais produtos da combusto. Isto pode

37

ser inferido a partir da lei dos gases ideais - RTPVM

onde v o volume

especfico e M a massa molar do gs (menor para gua, o que explica seu menor

volume especfico nas mesmas condies). Esta caracterstica representa uma

maior expanso volumtrica da gua no estado gasoso, o que conveniente

durante a fase de expanso dos gases no cilindro de um motor.

2.5 Motor de ignio por centelha

O propsito de um motor de combusto interna consiste na converso da

energia qumica de um combustvel em energia mecnica mediante a expanso de

uma fronteira mvel. O motor de ignio por centelha, tambm chamado motor ciclo

Otto e o motor de ignio por compresso, ou ciclo Diesel, so os motores de

combusto interna mais difundidos ao redor do mundo. Devido simplicidade,

robustez e alta razo potncia-peso, estes dois tipos de motores so largamente

utilizados para transporte e gerao de potncia (Heywood, 1988, p. 1). Em ambos,

a fronteira mvel constituda por um pisto que se movimenta alternativamente no

interior de um cilindro, no qual o pisto, a biela e o virabrequim so elementos que

podem ser representados pelo mecanismo mostrado na Figura 9. A conexo entre a

biela e o virabrequim o mecanismo que permite converter o movimento linear do

pisto em movimento circular contnuo.

38

Figura 9 - Elementos bsicos de um motor de combusto interna ciclo Otto e ciclo Diesel.

Adaptado de www.tpub.com (acessado em 07/11/2012).

A rotao do virabrequim decorrncia do movimento cclico do pisto, que

oscila entre o ponto morto superior (PMS) e o ponto morto inferior (PMI), nos quais o

volume do cilindro corresponde ao mnimo e ao mximo, respectivamente. O volume

mnimo do cilindro denominado cmara de combusto, e a diferena entre o

volume mximo do cilindro e o volume de folga denominado volume deslocado

(Figura 10). A razo entre o volume mximo do cilindro e o volume mnimo a razo

de compresso, que possui valores tpicos variando entre 8 e 12 para motores ciclo

Otto (Heywood, 1988, p. 10). Pela Figura 10 tambm se percebe que cada posio

assumida pelo pisto pode ser relacionada a um determinado ngulo do virabrequim

e vice-versa.

Como a sequncia de eventos que culmina em um ciclo de operao no

cilindro necessita de quatro deslocamentos do pisto correspondente a duas

revolues do virabrequim o ciclo de operao tanto de motores ciclo Otto quanto

de motores ciclo Diesel chamado ciclo de quatro tempos (Figura 11).

39

Figura 10 - Geometria bsica de um motor de combusto interna recproco. Adaptado de Heywood, 1988,

p. 9.

Figura 11 - Ciclo de operaes de quatro tempos. Adaptado de Heywood, 1988, p. 10.

40

As etapas do ciclo de quatro tempos so as seguintes:

a) Fase de admisso Tm incio nas vizinhanas do PMS e termina prximo

ao PMI. Etapa na qual a mistura ar-combustvel entra no cilindro;

b) Fase de compresso Inicia aps a mistura ser admitida e as vlvulas se

fecharem. A mistura comprimida a uma frao do volume inicial, e no final

do ciclo a combusto inicia, elevando rapidamente a presso interna no

cilindro;

c) Fase de expanso Os gases de combusto, sob alta temperatura e

presso, foram o pisto para baixo e promovem a rotao do virabrequim.

Tambm chamado de ciclo motor, pois nele que efetivamente o trabalho

gerado.

d) Fase de escapamento Fase na qual os gases de combusto so

expulsos do cilindro pela abertura das vlvulas de exausto, decorrente da

diferena entre a presso interna e externa e ao movimento ascensional do

pisto, que fora a sada dos gases.

A sequncia de eventos que tipicamente ocorre em um motor de ignio por

centelha mostrada na Figura 12, onde variveis de interesse so plotadas em

funo do ngulo de virabrequim (CAD, do ingls crank angle degree). O CAD uma

varivel independente til, pois os processos que ocorrem em motores ocupam

intervalos aproximadamente constantes de ngulo em uma ampla faixa de rotaes.

Costuma-se assumir que a mistura ar-combustvel j se encontra totalmente

homogeneizada no momento da admisso em um motor ciclo Otto (o que no ocorre

para motores ciclo Diesel). Da mesma forma, no momento da admisso a mistura ar-

combustvel se combina com os gases residuais remanescentes do ciclo anterior.

Aps a vlvula de admisso se fechar, o contedo do cilindro comprimido a

presses e temperaturas acima dos valores atmosfricos, de forma que ocorre

transferncia de calor para o pisto, cabeote e as paredes do cilindro. Contudo, o

efeito desta transferncia sobre as propriedades dos gases no queimados pode ser

considerado desprezvel (Heywood, 1988, p. 17).

41

Figura 12 - Sequncia de eventos no ciclo de operaes de um motor SI. A presso no cilindro denotada

por p; o volume por V/Vmx; e a frao de mistura queimada por xb. IVO/IVC vlvula de admisso aberta/fechada; EVO/EVC vlvula de exausto aberta/fechada. Adaptado de Heywood, 1988, p. 18.

Entre 10 e 40 antes do PMS uma fasca produzida entre os eletrodos da

vela de ignio d incio ao processo de combusto, de forma que uma chama

turbulenta se propaga atravs da mistura de ar, combustvel e gases residuais e se

extingue quando em contato com as paredes do cilindro. A durao da combusto

varia de acordo com o projeto e a operao do motor, mas tipicamente se situa no

intervalo entre 40 e 60 (Heywood, 1988, p. 18).

Com o incio da combusto, a presso no cilindro se eleva a nveis maiores

do que seria se apenas o ciclo de compresso ocorresse isoladamente

(representado pela linha pontilhada na Figura 12). Devido a variaes na quantidade

e na composio da mistura introduzida no cilindro, bem como no teor de gases

residuais, o formato da curva de presso versus CAD no exatamente o mesmo no

decorrer de cada ciclo.

Existe um tempo timo de ignio que, para uma dada massa de ar e

combustvel dentro do cilindro, oferece o valor de torque mximo. Este tempo

denominado maximum brake-torque (MBT) timing. A presena de gases residuais, a

diluio da mistura ar-combustvel e o aumento de rotao provocam maior atraso

da ignio e menor velocidade de queima da mistura, de modo que geralmente

42

necessrio avanar o ngulo de ignio, ou seja, adiantar o CAD no qual a fasca

ocorre na vela, de forma que o valor do torque se situe o mais prximo possvel do

timo.

Aproximadamente aps 65% do percurso de expanso, a vlvula de escape

comea a abrir (Heywood, 1988, p. 19). Como a presso no cilindro bem maior que

aquela no coletor de escape, ocorre um processo de purga dos gases de

combusto. As vlvulas de admisso e exausto so abertas e fechadas lentamente

para evitar rudo e desgaste, de modo que a vlvula de escape permanece aberta

at pouco depois do PMS, enquanto a vlvula de admisso comea a abrir um

pouco antes do PMS (perodo de cruzamento de vlvulas).

Os motores de ignio por centelha podem ser monocilndricos ou

multicilndricos, que podem ser dispostos em diferentes configuraes geomtricas.

Os tamanhos destes motores variam desde pequenos motores de aeromodelos, que

desenvolvem uma potncia aproximada de 100W, at grandes motores

estacionrios multicilindros que produzem milhares de kW por cilindro (Pulkrabek,

1997, p. 2).

2.6 Gerao de poluentes em motores ciclo Otto

Os motores ciclo Otto tem contribuio especial nas emisses de monxido

de carbono (CO), hidrocarbonetos intermedirios (HC) e de xidos de nitrognio

(NOx, referente ao teor total de NO e NO2). A temperatura e o tempo de residncia

so dois importantes parmetros que influenciam na formao de poluentes em

motores. A temperatura determina o aparecimento de determinadas reaes que

culminam na formao de espcies qumicas especficas. Por ser fortemente

dependente da proporo da mistura entre ar, combustvel e gases residuais, a

temperatura de combusto pode ser controlada a partir da composio da mistura

reagente. Paralelamente, a fim de completar a reao a mistura deve permanecer no

cilindro durante um perodo suficiente para reagir. Este tempo de residncia

inversamente proporcional taxa de reao (que, por sua vez, tambm depende da

temperatura e composio) e possui valores na ordem de milissegundos (Mcallister

43

et al., 2011, p. 179). Desta afirmao, deduz-se que a velocidade de rotao do

motor, juntamente com a razo ar-combustvel da mistura, so dois parmetros que

tm influncia direta na gerao de poluentes.

De modo geral, a gerao de CO resulta da oxidao incompleta do

combustvel em CO2. Em misturas ricas (baixa razo ar-combustvel) uma

considervel quantidade de CO permanece sem reagir devido s baixas

temperaturas e ao baixo nvel de O2 na mistura. Por outro lado, em misturas pobres

(alta razo ar-combustvel), existe um montante de CO no queimado devido s

baixas temperaturas decorrente das perdas trmicas para o ar em excesso. Assim,

quanto mais prximo da proporo estequiomtrica, melhor a eficincia da

combusto, o que ocasiona nveis menores de CO na exausto. Adicionalmente,

outras condies podem contribuir para gerao de CO, como a dissociao do CO2

devido s altas temperaturas e presses no cilindro (Milton, 1998, p. 195).

A maior contribuio para as emisses de HC resulta da presena de fendas

e passagens estreitas na cmara de combusto onde a chama no pode se

propagar. Nestes pontos ocorre a formao de depsitos, a absoro de combustvel

pela camada de leo lubrificante e a vaporizao incompleta, que atuam como

fontes de HC durante o processo de combusto. Aps a passagem da chama,

especialmente durante a fase de expanso, os hidrocarbonetos no queimados

emergem a partir destas fontes e so parcialmente oxidados na mistura de gs

queimado. Uma frao do HC restante retida no interior do cilindro, enquanto que

o restante sai do cilindro do motor como gases de escape (Hochgreb, 1998, p. 137).

A formao de NOx se origina quando as colises entre tomos de oxignio e

molculas de N2 no cilindro se tornam significativamente vigorosas a ponto de

quebrar as ligaes N-N. Sendo assim, as variveis crticas na formao de NOx so

a temperatura mxima do gs e a concentrao de oxignio na cmara. A formao

de NOx especialmente potencializada em motores de ignio por centelha devido

combinao entre combusto e compresso do gs, caracterstica inerente do ciclo

Otto (Heywood, 1998, p. 9). Parte dos gases de escape podem ser recirculados para

o cilindro, atuando como um diluente da carga, uma estratgia que tem sido

comumente utilizada para controle da gerao de NOx. Isto feito tanto de maneira

passiva (atravs da eliminao incompleta do gs queimado) ou por meio de

recirculao ativa atravs de uma vlvula de controle EGR (Exhaust Gas

44

Recirculation). A elevada capacidade calorfica dos gases de escape, em especial o

CO2 e H2O, reduz significativamente a temperatura de pico no cilindro, retardando o

processo de formao de NO (Hochgreb, 1998, p. 132).

O 1 Inventrio Nacional de Emisses Atmosfricas por Veculos Automotores

Rodovirios (Ministrio do Meio Ambiente, 2011) apresenta os fatores de emisso

para automveis e veculos comerciais leves movidos gasolina tipo C e a etanol

hidratado combustvel (Tabela 2). interessante notar que de 1983 at 2008 a

diferena relativa entre os fatores de emisso da gasolina tipo C e do etanol

hidratado se tornam cada vez menores, at o ponto em que todos os fatores de

emisso do etanol ultrapassam os valores estabelecidos para gasolina tipo C em

2005 e 2008. Isto representa uma tendncia oposta aquela observada por Melo et al.

(2012) e, em parte, por Costa et al. (2009), que concluram que o uso de etanol

misturado gasolina ou na forma de etanol hidratado resultam em redues nas

emisses de CO e HC. Entretanto, isto pode ser consequncia de maiores incentivos

ao aperfeioamento de motores ciclo Otto operando com gasolina tipo C em

detrimento do etanol hidratado puro, visto que a gasolina, juntamente com o Diesel,

ainda permanece como sendo o combustvel automotivo por excelncia e de maior

difuso mundial.

Tabela 2 - Fatores de emisso de escapamento zero km, em g/km. Fonte: 1 Inventrio Nacional de

Emisses Atmosfricas por Veculos Automotores Rodovirios, 2011, p. 34.

Ano modelo Combustvel CO NOx Aldedos NMHC1 CH4

1995 Gasolina C 4,7 0,6 0,025 0,451 0,149

Etanol hidratado 4,6 0,7 0,042 0,514 0,186

2000 Gasolina C 0,73 0,21 0,004 0,098 0,032


2005

Gasolina C 0,34 0,09 0,004 0,075 0,025


Flex - Gasolina C 0,45 0,05 0,003 0,083 0,027

Flex - Etanol hidratado

0,39 0,1 0,014 0,103 0,037

2008

Gasolina C 0,37 0,039 0,0014 0,042 0,014


Flex - Gasolina C 0,51 0,041 0,002 0,069 0,023

Flex - Etanol hidratado

0,71 0,048 0,0152 0,052 0,019

1Hidrocarbonetos no metano.

45

2.7 Impactos do uso de etanol super-hidratado em motores ciclo Otto

2.7.1 Operao e desempenho

O uso de etanol super-hidratado tende a provocar uma diminuio na

temperatura mxima de combusto (temperatura de chama adiabtica) conforme

mostrado na Figura 13. Por outro lado, o decrscimo na temperatura de chama

adiabtica acompanhado pelo aumento do calor latente de vaporizao da mistura.

Estas caractersticas do etanol super-hidratado podem ter efeitos adversos na

vaporizao do combustvel e na eficincia da combusto.

Figura 13 - Temperatura de chama adiabtica em funo da razo de equivalncia para diferentes

misturas de etanol super-hidratado. Fonte: Breaux et. al (2012, p. 2).

Gupta et. al (2010) concluram que a perda de eficincia limita o teor de gua

que pode ser adicionada ao etanol, propondo que esta perda se torna significativa

para teores de gua acima de 20%. Utilizando este limite como o mximo de

hidratao, ele avaliou a potncia disponvel no eixo, a eficincia trmica e o

consumo especfico de combustvel em um motor ciclo Otto monocilndrico modelo

46

Honda operando com gasohol (90% gasolina e 10% etanol em volume), E100 (100%

etanol), E90W10 e E80W20 sob diferentes condies de abertura de borboleta. Para

100% de carga, os resultados demonstraram uma sensvel diminuio na eficincia

trmica na ordem de 2% - em decorrncia da adio de 20% de gua, enquanto o

consumo especfico de combustvel aumentou significativamente (cerca de 100

g/kWh). Na Figura 14 so mostrados os resultados encontrados pelos autores.

Figura 14 - Parmetros de desempenho para diferentes misturas de etanol super-hidratado. Fonte: Gupta

et al. (2010).

Resultados interessantes foram obtidos por Mack et. al (2009) que, embora

tenha usado um motor de ignio por compresso homognea da carga (motor

HCCI) nos testes com etanol super-hidratado, apresenta concluses que podem ser

extrapoladas para motores ciclo Otto. Em especial, os efeitos sobre a presso

interna do cilindro e a taxa de liberao de calor so significantes (Figura 15). O pico

47

de presso apresentou pouca diferena at a mistura E60W40, contudo, quando a

concentrao de etanol decaiu para 40% em volume, a presso no cilindro caiu e

tornou-se extremamente difcil manter a combusto. O valor mximo da taxa

cumulativa de liberao de calor foi de acordo ao diagrama indicador, diminuindo

com a adio de gua e apresentando uma reduo acentuada para mistura com

40% em volume de gua.

Figura 15 Taxa de liberao de calor para misturas de etanol super-hidratado. Fonte: Mack et al. (2009, p. 785).

Munsin et al. (2013) investigou o efeito da hidratao at 40% em volume de

gua no consumo e eficincia de um pequeno motor ciclo Otto monocilndrico (389,2

cm) a 3600 rpm e sob condies de queima estequiomtrica, ou seja, com a razo

de equivalncia igual a unidade ( = 1). Percebeu-se um aumento de 75% no

consumo especfico de combustvel (do ingls brake specific consumption, bsfc)

entre as misturas E80W20 e E60W40, atribudo frao do PCI do combustvel

destinado ao calor latente de vaporizao da gua. No mesmo intervalo a eficincia

trmica decaiu 5%, devido ao maior tempo de queima (Figura 16).

48

Figura 16 - Consumo especfico de combustvel (bsfc) e eficincia trmica global para misturas de etanol

super-hidratado. Fonte: Munsin et al. (2012, p. 5).

Munsin et al. (2012) tambm alertam para a possibilidade de contaminao do

leo lubrificante com o aumento do teor de gua, com a formao de microemulses

de reduzida capacidade de lubrificao e para a oxidao de peas do motor,

observada vrios dias aps os testes. Estas so questes importantes no que diz

respeito ao uso comercial de etanol super-hidratado em motores.

2.7.2 Emisses

Atravs de experimentos conduzidos em um combustor, Breaux et al. (2012)

forneceram uma viso detalhada de como o aumento da frao de gua incide sobre

a temperatura dos gases de escape e a concentrao de CO2 na exausto. Ao testar

amostras compreendidas entre o etanol anidro e o E65W35 foi possvel concluir que

a temperatura mdia de escape dos gases levemente afetada pelo teor de gua,

tendendo a diminuir conforme este aumenta (Figura 17). A concentrao de CO2, por

outro lado, tende a se manter aproximadamente constante, independente da

proporo de gua usada, sendo, por outro lado, fortemente dependente da razo

de equivalncia (Figura 18).

49

Figura 17 - Temperatura mdia dos gases de exausto para diferentes misturas etanol-gua. Fonte:

Breaux et al. (2012, p. 10).

Figura 18 - Frao volumtrica de CO2 nos gases de exausto para diferentes misturas etanol-gua.

Fonte: Breaux et al. (2012, p. 11).

Os j citados Mack et al. (2009) e Gupta et. al (2010) tambm realizaram

investigaes sobre a influncia do teor de gua nas emisses de motores operando

com etanol super-hidratado. Mack et al. (2009) concluram que maiores graus de

hidratao do combustvel implica em um aumento no nvel de HC nos gases de

escape, indicando que isto decorrncia da combusto incompleta do etanol. Em

paralelo, os dados mostraram um decrscimo na concentrao de O2 na exausto,

fenmeno atribudo ao deslocamento do oxignio pelo vapor de gua durante a fase

de admisso. Isto indica que o aumento do teor de gua implica em menos oxignio

aspirado durante a admisso (MACK et al., 2009, p. 787). A combusto incompleta

50

tambm conduziu a nveis maiores de CO nos gases de escape. A Figura 19 resume

estes resultados.

No trabalho de Gupta et al. (2010) o teor de CO aumentou pouco com a

contnua hidratao (2,06% no E80W20 em relao ao E100, para 25% de abertura

do acelerador), ao contrrio do HC, que aumentou de forma proporcional a

hidratao, efeito este novamente atribudo combusto incompleta. Por outro lado,

as emisses de NOx caram 79,18% na mistura E80W20 em comparao com o

gasohol. interessante notar o efeito da carga especialmente sobre as emisses de

CO, que tiveram comportamento diverso de acordo com a abertura da vlvula de

controle de acelerao (Figura 20).

Figura 19 - Dados de emisses para o HC e o CO em motor HCCI de quatro cilindros em funo do CA50.

Fonte: Mack et. al (2009, p.786).

51

Figura 20 - Dados de emisses para o CO, HC e NOx em motor ciclo Otto modelo Honda em funo da

frao de gua no combustvel. Fonte: Gupta et. al (2010).

De forma geral, informaes sobre outros estudos relacionados ao uso de

etanol super-hidratado em motores geralmente se baseiam no uso direto de misturas

em motores HCCI ou ento em motores Diesel convertidos em HCCI e munido de

um dispositivo de ignio cataltica, como o caso dos trabalhos desenvolvidos no

National Institute for Advanced Transportation Technology (NIATI) (Beyerlein et. al,

2001; CORDON et. al, 2009).

2.8 Modelagem e simulao de motores ciclo Otto

A modelagem matemtica e a simulao de ciclos motores tm contribudo

notavelmente no desenvolvimento dos motores de combusto interna desde seus

primrdios. Em 1876, Nicolaus A. Otto usou simulaes baseadas na teoria

termodinmica clssica para calcular o trabalho esperado de ciclos motores antes do

uso de prottipos (Figura 21). Estas simulaes previram a vantagem decorrente da

compresso da mistura ar-combustvel comparada combusto realizada em

presso atmosfrica, fornecendo subsdios que proporcionaram o desenvolvimento

52

dos motores de combusto interna modernos. Desde ento, o desejo de simular

diferentes tipos de motores antes de constru-los tm acompanhado projetistas e

pesquisadores ao longo do tempo.

Para representar os processos que governam a operao e as emisses em

motores, Heywood (1988, p. 749) cita dois tipos de modelos desenvolvidos: os

termodinmicos, com as equaes estruturadas sobre o princpio da conservao da

energia; e os fluidodinmicos, onde predominam anlises do movimento do fluido.

Outras denominaes dadas aos modelos termodinmicos so: zerodimensional

(no possuem qualquer modelagem do fluxo e de fenmenos de transferncia),

fenomenolgico (onde so adicionados os efeitos de transferncia de calor e massa

em cada evento dentro das equaes de conservao da energia) e

quasidimensionais (especificam algumas caractersticas geomtricas dentro da

sequncia de eventos, como a geometria da chama). Os modelos fluidodinmicos

so comumente chamados de multidimensionais, pois fornecem informao

geomtrica detalhada sobre o movimento do fluido baseadas em equaes de

campos de fluxo.

Figura 21 Primeiro diagrama presso-volume experimental obtido por Otto em 18/05/1876. Fonte: Chiodi (2011, p.10).

A complexidade dos processos que ocorrem em um motor torna difcil a

construo de um modelo que possa simular sua operao unic

Análise Experimental e Modelagem de Motor de Combustão Interna Operando Com Etanol Superhidratado

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